数字功率跟随技术在风光互补发电系统中的应用

 

　　节约能源，保护环境已经成为人类可持续发展的必要条件。人们的注意力正转向再生能源的利用和开发。其中，太阳能发电已成为近些年研究的热点。但其发电效率较低成为制约发展的重要因素。目前，功率跟踪（MPPT）技术是提高发电效率的有效途径之一。近些年，随着电子技术和硅材料研究的不断进步，促进了对风能、太阳能的开发利用，市场前景相当广阔。在此前提下，研制了智能化、模块化、一体化的新一代风、光互补综合电源系统。

　　1 风光互补发电系统

　　风、光互补电源系统主要有风力发电机、太阳能电池板、蓄电池组和电源综合控制柜组成。其设计理念是利用太阳能电池板和风力发电机双发电系统对蓄电池组（48V）充电，再把直流电逆变成AC 220V/50Hz的交流电，成为我们常用的交流电源。蓄电池组的充电方式决定其使用寿命的长短，但是风能的突然性和太阳能的时间性注定发电系统不能输出可靠稳定的直流电，若对其不加处理地直接对蓄电池组充电，不仅大大缩短蓄电池组的寿命，而且不能有效地利用风能和太阳能。因此，在充电过程中引入了基于ATMEGA8单片机数字功率跟随技术的控制系统，不仅大大提高了发电系统的稳定性，而且提高了电源系统的可靠性。

　　2 充电系统组成

　　以风机为例，充电系统主电路采用日产某公司的直流变换模块PH600S28048,直流输入电压：200~400V,输出电压：43~6lV遥控可调。风机为三相线电压220V输出，蓄电池组的充电电压范围：46~57V.充电的恒流和功率跟随有ATMEGA8来完成。系统组成原理图如图1所示。

 

　　3 系统工作原理

　　ATMEGA8是高性能、低功耗的8 位AVR? 微处理器具有先进的RISC 结构 130 条指令 ;32个8 位通用工作寄存器能全静态工作 ;工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS ;只需两个时钟周期的硬件乘法器 ;是非易失性程序和数据存储器 ;8K 字节的系统内可编程Flash ;具有独立锁定位的可选Boot代码 通过片上Boot 程序实现系统内编程真正的同时读写作。

   通过霍尔电流传感器把充电电流转换成0~5V的标准信号，经A/D转换成数字信号送CPU处理，并通过PBl脚。PWM输出控制光藕PC817的道通度控制充电机的输出电压，从而通过简单的数字PI调节达到恒流的目的。不过充电机恒流工作有一个重要的前提条件就是输入能源必须有足够大的功率。但是自然界风能、太阳能的随栅陛、突然性使恒流充电难以实现。特别是风能，如果风速特别大而充电机仍然输出不变的电流（负载不变）会损坏风机。如果风速小功率不够就会导致充电机无法正常工作，时而关断，时而开通。造成此种现象是因为充电模块PH600S工作正常输入电压范围为DC 200~400V.为了克服此情况就加入了数字功率跟随技术，以风机输入电压300V经A/D转换数字为基准来调整负载大小（输出电流）做数字PI调节，从而达到充电机正常工作。

　　4 软件设计思想

　　AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（Reduced Instruction Set CPU） 精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。 1997年，由Atmel公司挪威设计中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集高速8位单片机，简称AVR.

　　程序的编写采用AVR单片机专用的汇编语言，模块化设计。监控程序和输入控制模块程序流程简图如图2所示。

 

　　全部程序代码由模拟量的数字采集，中值滤波、数字比较、PWM输出等组成。关键是数字比较构成简单的PI调节且电流环嵌套与电压环之内。

　　程序流程如下：以电流环为例做一介绍：由PH600S系列模块组成的硬件充电机输出电流由0~5V信号线性调节，电流给定信号（0~5V）由ATMEGA8单片机PBl口输出10位PWM脉宽调制波形，再经RC滤波产生。将M8单片机的T/Cl控制寄存器TCCRlA设置值83H,TCCRlB控制寄存器为05H也就定义PBl口输出10位快速的PWM波形。T/C1计数寄存器TCNTI（TCNTlH:TCNT1H）值便从0000一OlFFH之间变换。脉冲输出占空比（输出电压）由比较控制寄存器OClA设定值与TCNTl寄存器计数值比较产生；OClA的内容由0000-0lFFH可变设定也就决定输出电压由0~5V线性可调。OClA值由电压环做模拟PI调节运算后给定，这样电压环和电流环的互相嵌套便构成了功率的恒定跟随，从而提高了风、光互补发电的效率。

　　5 结语

　　太阳能充电电路和风机的功率跟随原理是一样，只不过太阳能电池板的输入电压低，变化比较缓慢，已采用PH30048-48模块作主回路。利用ATMEGA8单片机作控制，日产某公司的直流变换模块为主电路做成的风光互补发电系统，已在上海的花鸟岛某驻军运行2年多，十分稳定，受到了军部领导的好评。